Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий

Одна молекула гемоглобина превращается в оксигемоглобин в легких и опять становится гемоглобином в тканях, однако ситуация в крови остается стабильной. В легких всегда есть красные клетки, собирающие кислород. Другие постоянно находятся в тканях, высвобождая его там. В легочных капиллярах все время в ожидании кислорода находятся красные клетки. За клетками, потерявшими запас кислорода в тканях, следуют новые.

Вы можете представить себе эту картину, если посмотрите на товарные вагоны, перевозящие груды угля с шахты на фабрику. Один вагон идет на фабрику, нагруженный углем, тогда как возвращается пустой, таким образом, все вагоны постоянно циркулируют туда-обратно, так что шахта постоянно поставляет запас угля, а фабрика его получает, невзирая на ход отдельных вагонов.

Кровь, наполненная кислородом, почти весь гемоглобин которой превратился в оксигемоглобин, называется артериальной кровью, потому что обычно она бывает в артериях, где движется от сердца и еще не добралась до жаждущих кислорода тканей. Исключением является кровь в легочной артерии, которая уже вернулась из тканей и теперь движется к легким.

Кровь, лишенная кислорода и почти не имеющая гемоглобина, называется венозной кровью. Судя по названию, она течет по венам, которые несут ее к сердцу после прохождения через испытывающие кислородный голод ткани. И опять исключением является кровь в легочной вене, только что вернувшаяся из легких.

Помимо количества кислорода, у артериальной и венозной крови есть и другие различия. Например, у них разный цвет. Артериальная кровь яркая, а венозная имеет синеватый оттенок. Именно артериальная кровь имеет свой характерный цвет, который мы видим, когда она начинает течь из поврежденных тканей. Даже если порезана вена и из раны вытекает венозная кровь, то все равно при контакте с воздухом она превращается в артериальную. Она быстро поглощает кислород, и оксигемоглобин тут же окрашивает ее в ярко-красный цвет.

Если хотите увидеть цвет настоящей венозной крови и если у вас светлая кожа, то посмотрите на вены тыльной стороны ладони или внутренней поверхности запястья. Они должны быть синеватого цвета, но поскольку вены находятся под слоем кожи, в которой содержится желтый пигмент — каротин, а желтый цвет при смешивании с синим становится зеленым, вены имеют зеленоватый оттенок.

Просвечивающий сквозь полупрозрачную кожу оксигемоглобин приводит к тому, что у светлокожих людей обычно румяное лицо. Там, где кожа особенно тонка, например на губах или во рту, цвет ее и вовсе красный.

Расширение сосудов в коже приводит к появлению покраснения вследствие прилива крови к капиллярам. Так краснеет кожа при воспалении, так появляется красный след от удара или румянец на морозе.

Когда в организм поступает недостаточно кислорода и количество оксигемоглобина снижается, покраснение кожи также уменьшается. Начинает проявляться цвет самого гемоглобина, и кожа приобретает синеватый оттенок. Это особенно заметно на людях, страдающих приступами удушья. Посинение кожи называется цианоз от греческого слова «синий».

В нормальной атмосфере гемоглобин связывает только кислород. Это значит, что на связывание кислорода не оказывают воздействия другие компоненты воздуха: азот, двуокись углерода, пары воды или аргон. Гемоглобин собирает исключительно молекулы кислорода.

Однако некоторые газы могут этому помешать.

Например, если углерод или углеродсодержащее вещество, такое, как уголь или бензин, сжечь при недостатке кислорода, образуется некоторое количество моноокиси углерода, или угарного газа. Молекула угарного газа состоит из одного атома углерода и одного атома кислорода. Когда кислорода в достатке, образуется двуокись углерода. Ее молекула состоит из атома углерода и двух атомов кислорода.

Угарный газ — довольно активное вещество. Он может соединиться с кислородом и превратиться в менее активную двуокись углерода. Угарный газ способен соединяться и с другими веществами, например с железом.

Если в воздухе присутствует небольшое количество угарного газа, он попадет в легкие, и некоторые молекулы газа проникнут через мембраны альвеол в кровь. Оказавшись в крови, молекулы угарного газа прикрепятся к атомам железа, находящимся в составе гемоглобина.

Любая молекула гемоглобина, переносящая угарный газ вместо кислорода, бесполезна для дыхания. Если вывести из строя небольшое количество гемоглобина, последствия не будут серьезными, потому что в организме есть его запасы. В любое время вы можете сдать Красному Кресту пол-литра крови и нисколько не пострадать от этого. Однако угарный газ имеет отвратительное свойство, которое делает его особенно опасным. Прикрепившись к атому железа, он держится очень крепко. Он не может легко освободиться от него в отличие от молекулы кислорода.

Вследствие этого, когда кровь завершает свой круг в организме и возвращается в легкие, она несет почти нетронутый запас угарного газа. Если этот газ присутствует в воздухе, а значит, и в альвеолах, он продолжает связываться с другими молекулами гемоглобина.

Происходит процесс накопления. И хотя содержание угарного газа в воздухе мало, со временем большая часть гемоглобина в крови начинает циркулировать впустую. Его молекулы, связанные с угарным газом, не могут связывать кислород, и в итоге постепенно развивается удушье. При наличии в воздухе всего 0,5 % угарного газа смерть наступает менее чем через полчаса.

Поэтому плохо вентилируемые угольные печи представляют опасность, и по этой же причине может наступить смерть, когда в закрытом гараже работает автомобильный двигатель. Бытовой газ, используемый для приготовления пищи, часто содержит моноокись углерода, поэтому также может стать причиной отравления. Гемоглобин, несущий на себе угарный газ, приобретает вишневый цвет, поэтому у людей, погибших от отравления этим газом, кожа имеет характерный красный цвет.

Если человек пострадал от отравления угарным газом, его необходимо вынести на свежий воздух и сделать искусственное дыхание или, если возможно, надеть на него кислородную маску. Моноокись углерода медленно отрывается от молекул гемоглобина, и, если прекратить доступ этого газа, есть шанс, что красные кровяные тельца восстановят свои функции, прежде чем наступит смерть от удушья.

Атом железа, входящий в состав молекулы гемоглобина, может существовать в одной из двух форм: как двухвалентный ион или как трехвалентный ион. Они различаются электрическим зарядом. Двухвалентное железо имеет двойной положительный заряд, а трехвалентное — тройной положительный заряд.

В гемоглобине присутствует двухвалентное железо, и прикрепляемая к нему молекула кислорода не изменяет его свойства. Атомы железа в оксигемоглобине по-прежнему двухвалентные. Это кажется странным, поскольку двухвалентное железо не такое стабильное, как трехвалентное, и в присутствии кислорода имеет тенденцию превращаться в последнее.

Но если мы рассмотрим этот процесс подробнее, все прояснится. Двухвалентное железо гемоглобина действительно превращается в трехвалентный ион в присутствии кислорода, и этот процесс постоянно происходит в крови. Изменение двухвалентного иона на трехвалентный является примером типа химических изменений, известных под названием окисление. Окисленный гемоглобин становится метгемоглобином. К счастью, в крови есть вещество, которое способно изменять трехвалентный ион сразу после его появления на двухвалентный. Такое обратное изменение представляет собой пример химической реакции под названием восстановление. По этой причине вещество, изменяющее трехвалентный ион на двухвалентный, называется восстановителем метгемоглобина, или, по-научному, метгемоглобинредуктазой.

Причиной, по которой организм должен следить, чтобы двухвалентное железо не превращалось в трехвалентное, является тот факт, что трехвалентное железо не способно присоединять кислород. Если говорить о дыхании, то метгемоглобин бесполезен для организма, а дыхание — это основа жизни. Один дополнительный положительный заряд на атоме железа, и мы мертвы; эта угроза сохраняется постоянно, и организм все время борется с ней при помощи специального механизма. То, что организм придумывает различные приемы, уловки и приспособления для поддержания внутренней среды в благоприятном состоянии, не значит, что он расширяет возможности для жизни. В конце концов акробат может научиться виртуозно ходить по канату, но от этого канат не станет ни на сантиметр шире.

Иногда дети рождаются с дефектом системы восстановления метгемоглобина. Их организм не в состоянии полностью перевозить метгемоглобин в крови в обычный гемоглобин в крови, и от 10 до 45 % их гемоглобина пребывает в этом бесполезном для жизни состоянии. Это не обязательно мешает им жить, как живут все обычные люди, но часто после физических нагрузок возникает затрудненность дыхания, когда нужно больше кислорода и организм не может позволить себе нехватку гемоглобина. Это состояние называется врожденной метгемоглобинемией.